同步電機之永磁直流電動機的電磁設計

永磁直流電動機的電磁設計是根據(jù)額定數(shù)據(jù)和性能指標確定主要尺寸、永磁體尺寸、沖片尺寸、電樞繞組數(shù)據(jù)、換向器尺寸等，然后進行性能計算。若性能不滿足要求，則調(diào)整結構數(shù)據(jù)，重新進行性能計算，直至得到合格的設計方案。

一、永磁直流電機的額定數(shù)據(jù)和性能指標

永磁直流電動機的額定數(shù)據(jù)有額定功率尸N 、額定電壓UN 、額定轉速nN等。性能指標主要有效率、溫升和火花等級等，有時也可能給出起動轉矩、轉速變化率等指標。

二、主要尺寸的確定

永磁直流電動機的主要尺寸是指電樞直徑Da和電樞計算長度Lef，它們和電動機的電磁負荷有關。

1．主要尺寸與功率、轉速、電磁負荷的關系

與普通直流電動機相似，永磁直流電動機的主要尺寸與計算功率P ’ 、轉速、電磁負荷之間的關系為。

2．電磁負荷的選擇

電磁負荷的選擇直接影響到電機的體積、重量、損耗和效率，關系到電機的經(jīng)濟性和性能。在永磁直流電動機中，磁負荷基本上由永磁材料的性能和磁路尺寸決定，當永磁材料、磁極尺寸和外磁路尺寸確定后，B 。就基本上被確定，變化范圍很小。初選時可根據(jù)永磁材料和磁極結構選取，對于鋁鎳鉆永磁體，一般取B 一（0 . 5一0 . 7 ) B ,；對于鐵氧體和稀土永磁材料，一般取B 。＝( 0 . 7一0 . 85 ) Br 。當線負荷A較高時，電機體積較小，節(jié)約鋼鐵材料，鐵耗減小，但繞組用銅量增加，銅耗增加，繞組溫升增大。對于連續(xù)運行的小功率永磁直流電動機，一般取A一30一100A / rm ,電樞繞組電流密度J取為。

3．氣隙長度選取

從建立氣隙磁場的角度考慮，氣隙長度占應取較小的值，但由于受制造和裝配的限制，占不能取得太小。此外，在永磁電機中，氣隙磁場隨氣隙長度的變化沒有電勵磁電機那樣敏感，當永磁體充磁方向長度較大時，略微調(diào)整氣隙長度對氣隙磁場影響不大。對于小功率永磁直流電動機，氣隙長度通常取為0 . 15一0 . 6mm 。

三、永磁體尺寸的確定

1．永磁體充磁方向長度

永磁體充磁方向長度hm與氣隙占大小有關。通常先根據(jù)電機的磁動勢平衡關系預估hm初值，再根據(jù)具體的電磁性能計算進行調(diào)整；hm的大小決定了電機的抗去磁能力。在永磁直流電動機中，后極尖去磁最嚴重，因此應該校核最大電樞電流時后極尖永磁體的工作點，在保證不產(chǎn)生不可逆退磁的前提下，hm應盡可能小。

2．永磁體軸向長度

對于稀土永磁材料，一般取永磁體軸向長度Lm與電樞鐵心長度La相同，有時為節(jié)約永

磁材料，Lm比電樞鐵心長度略短。對于鐵氧體永磁材料，由于價格便宜且Br較低，為減少

用銅量，往往取Lm ? ( 1 . 1一1 . 2 ) La 。

四、極數(shù)的選擇

永磁直流電機的極數(shù)雖與轉速無關，但對電機性能有較大影響。極數(shù)增多，每極磁通減少，電樞扼部和定子機殼厚度??；繞組端部縮短，用銅量減少；片間電壓平均值增加，換向器出現(xiàn)環(huán)火的可能性增大；電樞鐵心中磁場交變頻率隨極數(shù)增大而增高，扼部鐵耗因扼部磁密的降低而增加不多或不增加，齒部鐵耗隨極數(shù)的增加而迅速增加。一般來講，極數(shù)增加時，低速電機的效率略有增加，高速電機的效率有所降低。小型永磁直流電動機的極數(shù)一般為2一6極。

五、電樞沖片設計

1．槽數(shù)的確定

在永磁直流電動機中，采用較多槽數(shù)時，可以減少線圈匝數(shù)，降低換向元件中的感應電動勢，有利于換向，但槽絕緣增加，槽利用率降低，還可能造成齒根部過窄。此外，槽數(shù)Q的選擇還應保證繞組滿足對稱條件。

• 換向器和電刷

1．換向器尺寸的確定

( 1）換向器直徑。在直流電機中，換向器直徑通常如下選取

( 2）換向器長度。小功率電動機一般每極只有一只電刷，換向器長度Lk比電刷長度大。

( 3）換向器片距。換向器片距為。

七、換向條件的校核

在小功率永磁直流電動機中，換向問題不嚴重，為使結構簡單，通常不設換向極。在設計中，通過限制換向區(qū)寬度和換向元件內(nèi)的感應電動勢來保證換向性能。在單方向旋轉的永磁直流電動機中，常移動電刷以改善換向。

1．換向區(qū)域寬度

在直流電機中，每個槽內(nèi)有多個元件邊，從槽內(nèi)第一個元件邊開始換向到最后一個元件邊換向結束，這段時間稱為換向周期。在一個換向周期內(nèi)，電樞所移過的弧長稱為換向區(qū)寬度r，采用下式計算。